研究认为他们已经破解了冥王星异常不稳定轨道背后的秘密

　　1930 年，天文学家克莱德·汤博在亚利桑那州弗拉格斯塔夫的洛厄尔天文台工作时发现了传说中的＂第九行星＂（或＂行星 X＂）。之前根据天王星和海王星轨道的扰动预测了这个天体的存在。
　　在收到来自世界各地的 1000 多条建议，以及天文台工作人员的辩论后，这个新发现的天体被命名为冥王星——它是由牛津的一名年轻女学生 (  Venetia Burney ) 提出的。
　　新视野号任务首次造访了冥王星。
　　从一开始就很清楚的一件事是冥王星轨道的性质，它是高度偏心和倾斜的。根据 新的研究，冥王星的轨道在较长的时间尺度上相对稳定，但在较短的时间尺度上会受到混沌扰动和变化的影响。
　　该研究由亚利桑那大学 月球与行星实验室(LPL)的 Louise Foucar Marshall 科学研究教授 Renu Malhotra和千叶工业大学行星探索研究中心(PERC)的副教授 Takashi Ito和日本国家天文台 (NAOJ) 计算天体物理中心。
　　描述他们发现的论文最近发表在 美国国家科学院院刊上。
　　为了打破它，冥王星的轨道与行星的轨道完全不同，它们沿着靠近赤道的太阳周围几乎圆形的轨道，向外投射（又名黄道）。
　　相比之下，冥王星需要 248 年才能完成绕太阳运行的单一轨道，并遵循与太阳系黄道平面倾斜 17  的高椭圆轨道。
　　其轨道的偏心性质也意味着冥王星在每个周期中花费 20 年时间绕着比海王星更靠近太阳的轨道运行。
　　冥王星轨道的性质是一个永恒的谜团，天文学家在发现它后不久就意识到了这一点。从那时起，人们进行了多项努力来模拟其轨道的过去和未来，这揭示了一个令人惊讶的特性，可以保护冥王星免于与海王星相撞。
　　正如 Malhotra 通过电子邮件告诉《今日宇宙》，这是被称为＂平均运动共振＂的轨道共振条件：
　　＂这种条件确保了当冥王星与海王星处于相同的日心距离时，它的经度与海王星的距离接近 90 度。后来发现了冥王星轨道的另一个特殊特性：冥王星在远高于平面的位置到达近日点海王星的轨道；这是一种不同类型的轨道共振，称为＂vZLK 振荡＂。＂
　　这个缩写指的是 von Zeipel、Lidov 和 Kozai，他们将这种现象作为＂三体问题＂的一部分进行了研究。
　　牛顿的运动三定律和他 的万有引力理论求解它们的后续运动——对此没有一般的解决方案。
　　正如 Malhotra 所补充的：＂在 1980 年代后期，随着更强大的计算机的出现，数值模拟揭示了第三个特殊性质，即冥王星的轨道在技术上是混乱的，即初始条件的微小偏差会导致轨道解的指数发散数千万年以上。
　　＂然而，这种混乱是有限的。在数值模拟中发现，上述冥王星轨道的两个特殊特性在千兆年的时间尺度上持续存在，尽管存在混乱指标，但它的轨道非常稳定。＂
　　在他们的研究中，马尔霍特拉和伊藤对太阳系未来长达 50 亿年的冥王星轨道进行了数值模拟。
　　特别是，他们希望解决有关冥王星和其他冥王星大小的物体（又名冥王星）的特殊轨道的未解决问题。这些问题已经通过过去几十年进行的研究得到解决，例如＂行星迁移理论＂，但只是在一定程度上。
　　在这个假设中，冥王星被海王星拉入其当前的平均运动共振，海王星在太阳系的早期历史中迁移。
　　该理论的一个主要预测是，其他海王星外天体 (TNO) 将共享相同的共振条件，此后大量冥王星的发现已经证实了这一点。
　　这一发现也导致了行星迁移理论得到更广泛的接受。
　　但正如 Malhotra 解释的那样：＂冥王星的轨道倾角与其 vZLK 振荡密切相关。所以我们推断，如果我们能够更好地了解冥王星 vZLK 振荡的条件，也许我们可以解开它的倾角之谜。我们从调查个体角色开始冥王星轨道上的其他巨行星（ 木星、土星和天王星）。＂
　　为此，马尔霍特拉和伊藤进行了计算机模拟，他们模拟了冥王星长达 50 亿年的轨道演化，其中包括八种不同的巨行星扰动组合。这些 N 体模拟包括与以下对象的交互： 海王星（—NP） 天王星和海王星 (-UNP) 土星和海王星 (-S-NP) 木星和海王星 (J–NP) 土星、天王星和海王星 (-SUNP) 木星、天王星和海王星 (J-UNP) 木星、土星和海王星 (JS-NP) 木星、土星、天王星和海王星 (JSUNP)
　　＂我们发现内部三颗巨行星中的任何一个子集都无法恢复冥王星的 vZLK 振荡；木星、土星和天王星这三颗行星都是必要的，＂马尔霍特拉说。 ＂但是这些对冥王星的 vZLK 振荡至关重要的行星是什么？＂
　　马尔霍特拉补充道。 ＂需要 21 个参数来表示冥王星上木星、土星和天王星的引力。这是一个令人望而却步的参数空间。＂
　　为了简化这些计算，Malhotra 和 Ito 通过引入一些简化将它们合并为一个参数。这包括用一个密度均匀的圆环来表示每颗行星，总质量等于行星的质量，环半径等于行星与太阳的平均距离（又称半长轴）。
　　正如 Malhotra 所指出的，这产生了代表木星、土星和天王星 (J2) 效应的单个参数，这相当于＂扁太阳＂的效应。
　　＂[W]e 发现了巨行星的质量和轨道的偶然排列，它在 J2 参数中划定了一个狭窄的范围，在该范围内冥王星的 vZLK 振荡是可能的，一种‘金发姑娘的区域’，＂她说。
　　＂这一结果表明，在 [the] 太阳系历史上的行星迁移时代，海王星外天体的条件发生了变化，导致其中许多——包括冥王星——进入 vZLK 振荡状态。很可能冥王星的倾向起源于这种动态演化。＂
　　这些结果可能对未来外太阳系及其轨道动力学的研究具有重要意义。
　　通过进一步研究，马尔霍特拉认为，天文学家将更多地了解这些巨行星的迁移历史，以及它们最终是如何进入当前轨道的。它还可能导致发现一种新的动力学机制，该机制将解释冥王星轨道和其他具有高轨道倾角的天体的起源。
　　这对致力于研究太阳系动力学的天文学家特别有用。正如 Malhorta 指出的那样，该领域的研究人员开始怀疑，可能揭示冥王星轨道演化的证据可能已被这些相同轨道力学的不稳定性和混乱性质所抹去。
　　正如 Malhotra 总结的：＂我认为我们的工作为在当今太阳系动力学和历史太阳系动力学之间建立联系带来了新的希望。整个太阳系中小行星（包括 TNO）的轨道倾角的起源提供了一个主要未解决的问题；也许我们的工作会激发更多的关注。
　　＂我们的研究强调的另一点是简单 (r) 近似值对复杂问题的价值：即将 21 个参数合并为一个参数为了解影响非常有趣但难以理解的基本动力学机制打开了大门冥王星和冥王星的轨道动力学。＂